Spis treści
- Instalacje hybrydowe OZE – czym są i jak działają?
- Instalacja hybrydowa OZE z panelami PV i pompą ciepła – jak to działa?
- Magazyn energii w instalacji hybrydowej – kluczowy element systemu
- Jak zarządzać instalacją hybrydową OZE, aby zwiększyć efektywność?
- Korzyści instalacji hybrydowej OZE – oszczędność i ekologia
- Przykłady wdrożeń instalacji hybrydowej OZE – case studies
Instalacje hybrydowe dostępne są zarówno dla prywatnych użytkowników i małych gospodarstw domowych, jak i dużych przedsiębiorstw czy osiedli mieszkaniowych, co tylko zwiększa ich atrakcyjność do zastosowania.
Instalacje hybrydowe OZE – czym są i jak działają?
O instalacjach hybrydowych OZE mówimy wtedy, gdy energia produkowana jest z minimum dwóch samodzielnych odnawialnych źródeł energii, wzajemnie się uzupełniających. System złożony z dwóch instalacji to układ podwójny – z ang. bivalent, a z wielu – wieloraki, z ang. multivalent.
Dzięki połączeniu instalacji działających z różną wydajnością w zależności od warunków atmosferycznych czy pory dnia, możliwe jest zapewnienie użytkownikowi stałego dostępu do energii elektrycznej. Tego rodzaju współdziałanie systemów poprawia stabilność pracy całego układu.
Zgodnie z przepisami instalacja hybrydowa OZE obejmuje także magazyn energii, co dodatkowo zwiększa efektywność. W przypadku dużych instalacji istotną kwestią jest tzw. cable pooling, czyli współdzielenie przyłącza energetycznego przez dwie instalacje, zamiast wykorzystywania dwóch odrębnych przyłączy – dla każdej instalacji osobno. Zwiększa to przepustowość przyłącza, która w przypadku instalacji OZE i tak nie osiąga maksymalnej wydajności a jedynie 10-40% w zależności od rodzaju instalacji.
Do współpracy w układzie hybrydowym wybierane są instalacje działające na zasadzie uzupełniania. W makroskali najczęściej są to:
- farmy fotowoltaiczne plus instalacja wiatrowa,
- elektrownie wodne w połączeniu z fotowoltaiką,
- panele fotowoltaiczne we współpracy z instalacjami na biomasę (np. biogazownie),
- instalacje OZE z magazynami energii.
W mniejszej skali najpopularniejsze instalacje hybrydowe wykorzystują energię z paneli fotowoltaicznych w połączeniu z pompą ciepła.
W prawodawstwie pojęcie instalacji hybrydowej OZE pojawiło się w ustawie o OZE z 2016 r., jednak w praktyce jej zastosowanie było problematyczne. Sytuację poprawiła zmiana przepisów i nowelizacja ustawy obowiązująca od 1 października 2023 r.
- Polecamy: Magazyn energii dla domu – czy warto?
Instalacja hybrydowa OZE z panelami PV i pompą ciepła – jak to działa?
Połączenie pompy ciepła i paneli fotowoltaicznych to świetne rozwiązanie. Pompa ciepła wykorzystuje energię zgromadzoną m.in. w gruncie lub powietrzu i przeznacza ją na cele ogrzewania i/lub podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Jednak do działania wymaga energii elektrycznej, którą dzięki zastosowaniu instalacji hybrydowej mogą dostarczyć panele fotowoltaiczne. Instalacja PV wyposażona jest w falownik zmieniający wyprodukowany w ogniwach prąd stały na zmienny – powszechnie wykorzystywany do zasilania urządzeń.
Taki układ współpracy wydaje się idealny, jednakże należy pamiętać, że czasy działania tych dwóch instalacji nie pokrywają się. Prąd z paneli produkowany jest w okresach nasłonecznionych, czyli w środku dnia. Tymczasem zapotrzebowanie na ciepło i ciepłej wody użytkowej jest największe w godzinach porannych i wieczornych.
W związku z tym niezbędnym komponentem w tego rodzaju układzie hybrydowym jest magazyn energii. Dzięki temu możliwe jest zakumulowanie energii w postaci ciepła w zasobniku/buforze cwu lub baterii i wykorzystywanie jej w późniejszym czasie – wtedy gdy wystąpi zapotrzebowanie.
W celu zoptymalizowanie zużycia energii warto wyposażyć instalację hybrydową w układ zarządzania energią. Ma on na celu maksymalizację wykorzystania energii z fotowoltaiki do zasilania pompy ciepła, zminimalizowanie poboru energii elektrycznej z sieci, co bezpośrednio przekłada się na obniżenie kosztów rachunków oraz wydłużenie czasu pracy pompy ciepła w okresie największej produkcji energii z paneli PV.
Magazyn energii w instalacji hybrydowej – kluczowy element systemu
Podstawowym zadaniem magazynu energii jest gromadzenie jej nadwyżek i udostępnianie w momentach niedoboru. Magazyn energii pozwala też na zwiększenie autokonsumpcji oraz zapewnia stabilność dostaw.
W instalacji hybrydowej wykorzystującej panele fotowoltaiczne i pompę ciepła mamy do wyboru dwa rodzaje magazynów energii:
- elektryczne – gromadzące energię elektryczną, m.in. akumulatory i baterie,
- cieplne – magazynujące energię w postaci ciepła, m.in. zasobniki i bufory ciepłej wody użytkowej.
Dzięki zapasowi energii możliwe jest zwiększenie autokonsumpcji (w układach hybrydowych nawet o 50%) poprzez wykorzystywanie zgromadzonych nadwyżek, zamiast oddawania ich do sieci.
Warto pamiętać, że momenty większej produkcji energii ze słońca przypadają na godziny południowe, a wtedy stawki sprzedaży do sieci są najniższe. Z perspektywy prosumenta to sytuacja niekorzystna. Magazyn umożliwia przetrzymanie energii i wykorzystanie jej na własne potrzeby lub odsprzedaż do sieci, ale w czasie, gdy stawki są korzystniejsze. Zapas energii chroni użytkownika przed ewentualnym blackoutem czy chwilowym zanikiem napięcia w sieci zewnętrznej, ale także poprawia stabilność i redukuje wahania napięcia w instalacji fotowoltaicznej uzależnionej bezpośrednio od warunków atmosferycznych.
Magazyny energii, szczególnie elektryczne to nadal dość drogie rozwiązanie. Ich wadą jest też malejąca z czasem pojemność użytkowa. Trzeba wziąć pod uwagę kwestie bezpieczeństwa, ponieważ baterie i akumulatory to urządzenia stwarzające zagrożenie ewentualnym wybuchem. Dlatego też w przypadku instalacji hybrydowych z pompą ciepła świetnym rozwiązaniem jest zastosowanie bufora ciepłej wody użytkowej jako magazynu energii.
Jak zarządzać instalacją hybrydową OZE, aby zwiększyć efektywność?
Posiadanie magazynu energii to zdecydowanie duży plus, jednak aby w pełni wykorzystać potencjał takiego układu niezbędny jest system sterowania i zarządzania energią.
W przypadku instalacji hybrydowej złożonej z paneli fotowoltaicznych i pompy ciepła, inteligentny system sterowania obejmuje kierowanie pracą pompy ciepła oraz zarządzanie instalacją PV. Optymalizacja pracy pompy ciepła polega m.in. na załączaniu jej tylko w czasie produkcji energii z paneli fotowoltaicznych (co znacznie podnosi autokonsumpcję) oraz ładowaniu magazynu energii w czasie nadwyżek produkcji. Tryb pracy pompy jest też dostosowywany do ilości dostępnej energii. Jeśli chodzi o instalację PV, to najważniejszą kwestią jest kierowanie nadwyżek energii dla pracy pompy ciepła lub do magazynów energii. Dodatkowo w czasie rzeczywistym monitorowana jest praca instalacji.
Ważnym aspektem systemu sterowania instalacją hybrydową OZE jest zdolność do adaptowania się do zmiennych warunków. Biorąc pod uwagę dużą zależność instalacji fotowoltaicznej od obecności słońca system powinien dostosowywać się do prognoz pogody i pod tym kątem optymalizować pracę.
Ważną funkcją inteligentnego sterowania jest analiza danych i prognozowanie zdarzeń w celu usprawniania funkcjonowania instalacji hybrydowej. Dodatkowo istotne jest reagowanie na ceny kupna i sprzedaży energii elektrycznej u operatorów. Z punktu widzenia prosumenta korzystne jest odsprzedawanie energii rano i wieczorem, a nie w ciągu dnia, gdy produkcja jest największa. Umiejętność reagowania na zmieniające się warunki może decydująco zoptymalizować pracę układu, znacznie zwiększyć autokonsumpcję, a w konsekwencji obniżyć koszty rachunków za energię.
Korzyści instalacji hybrydowej OZE – oszczędność i ekologia
Podstawową korzyścią z zastosowania instalacji hybrydowej OZE są oszczędności. Przykład układu wykorzystującego fotowoltaikę w połączeniu z pompą ciepła ilustruje to idealnie.
Pompa ciepła jest dla użytkowników rozwiązaniem pożądanym ze względu na stosunkowo niskie koszty eksploatacyjne, ponieważ do działania potrzebuje jedynie elektrycznej. Tą z kolei możemy wyprodukować na własne potrzeby w instalacji fotowoltaicznej. W taki sposób możliwe jest znaczące zredukowanie kosztów ogrzewania do symbolicznych kwot.
Inną zaletą takiego rozwiązania jest uniezależnienie się od sieci, a co za tym idzie cen energii i surowców dyktowanych przez czynniki zewnętrzne oraz operatorów sieci. Instalacja hybrydowa OZE nie sprawia, że użytkownik jest całkowicie odcięty od sieci, jednak znacznie mniej odczuwa ewentualną niestabilność czy przerwy w dostawie prądu.
Nie można nie wspomnieć o ekologicznym aspekcie instalacji hybrydowych OZE. Ich zastosowanie redukuje praktycznie do zera emisję CO2. Dodatkowo eliminujemy nieprzyjazne dla środowiska gazy cieplarniane pochodzące z paliw kopalnych (węgiel). Ważnym aspektem jest redukcja zanieczyszczeń powietrza, m.in. PM10 i PM2,5 związanych np. z opalaniem drewnem. Zarówno pompa ciepła, jak i panele fotowoltaiczne to czysta energia, wykorzystująca naturalne źródła. Nie wymagają magazynowania ani transportowania surowców, co również odbija się na środowisku.
- Polecamy: Emisja gazów cieplarnianych a dekarbonizacja przemysłu. Jak zmniejszyć emisję CO2 i innych GHG?
Przykłady wdrożeń instalacji hybrydowej OZE – case studies
Oprócz oczywistych korzyści z zastosowania instalacji hybrydowej OZE w gospodarstwach jednorodzinnych nie można pominąć ich wykorzystania na większą skalę.
Instalacją hybrydową OZE z pierwszą w kraju koncesją od Urzędu Regulacji Energetyki jest pilotażowy pomysł połączenia farmy wiatrowej, paneli fotowoltaicznych i magazynu energii o łącznej mocy 11,08 MW. Instalacja została zrealizowana przez Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu i Klaster Gaj Oławski.
Innym przykładem jest tu np. inwestycja zrealizowana przez polskie przedsiębiorstwo z branży energetycznej – Enea S.A. na terenie istniejącej farmy wiatrowej o mocy 6 MW w Darżynie (woj. Pomorskie). Wybudowano tam dodatkowo instalację fotowoltaiczną o mocy 2 MW, w ramach jednego przyłącza do sieci (cable pooling). Dzięki takiemu rozwiązaniu efektywność instalacji znacznie wzrośnie.
Instalacje hybrydowe OZE są też świetnym przyszłościowym rozwiązaniem dla osiedli wielorodzinnych. Tego rodzaju instalację zrealizowano np. w jednym z budynków należących do wrocławskiej spółdzielni mieszkaniowej. Układ złożony jest z czterech pomp ciepła i 74 paneli fotowoltaicznych oraz 12 magazynów ciepła. Dzięki tej instalacji szacowane jest zredukowanie kosztów za podgrzew ciepłej wody użytkowej o 30%.
W Lidzbarku Warmińskim na terenie należącym do spółki Veolia Północ wdrożono projekt pod nazwą Ciepłownia Przyszłości, w który zaangażowane było NCBR (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju). Jest to rozwiązanie wyznaczające kierunek dla modernizacji sektora ciepłowniczego w Polsce, ponieważ praktycznie całkowicie jest zasilany z OZE. Opiera się na instalacji złożonej z pomp ciepła, fotowoltaiki oraz magazynu energii cieplnej (wyjątkowo zagłębionego w gruncie). Ten system ma zapewnić ogrzewanie oraz ciepłą użytkową dla osiedla o powierzchni użytkowej mieszkań wynoszącej ponad 28 tys. m2.
Patrząc na powyższe przykłady, widocznym jest, że hybrydowe instalacje OZE to przyszłościowy kierunek. Aby działały efektywnie na dużą skalę potrzebne są jednak m.in.:
- rozwój segmentu magazynów energii, w celu znalezienia baterii jak najwytrzymalszych i o dużej pojemności, ale jednocześnie tanich,
- rozwój systemów zarządzania energią – opartych na sztucznej inteligencji,
- rządowe wsparcie finansowe i kontynuacja programów takich jak „Mój prąd”,
- zwiększenie dostępności (także cenowej) komponentów instalacji dla użytkowników prywatnych.
- Przejdź do galerii: Nowoczesna Ciepłownia Przyszłości w Lidzbarku Warmińskim
Literatura:
- www.zielona-energia.cire.pl
- www.e-magazyny.pl
- Ustawa z dnia 17 sierpnia 2023 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw
- www.viessmann.pl
- www.nowa-energia.com.pl
- www.ure.gov.pl
- www.architektura.muratorplus.pl
- www.gramwzielone.pl
